[技术前沿]奇怪的金属：没有电子的情况下电流也可以流动

电流通过一类奇怪的金属的异常流动挑战了我们教科书上对带电粒子的理解——因为任何在这些金属中穿梭电流的东西看起来都不像电子

经过一年的反复试验，陈立阳成功地将一根金属丝削成一根直径为大肠杆菌一半的微小线大肠杆菌 细菌——薄到足以让电流通过。陈希望，电流的滴落有助于解开一个长期存在的谜团，即电荷如何穿过一类被称为奇怪金属的令人困惑的材料。

当时还是研究生的陈和他在莱斯大学的合作者测量了流过他们的原子细金属线的电流。他们发现它流动顺畅且均匀。事实上，它是如此均匀，以至于违背了物理学家对金属中电的标准概念。

按照规范，电流是由电子的集体运动产生的，每个电子都携带一个不可分割的电荷块。但陈的电流死一般的稳定意味着它根本不是由单位组成的。这就像找到一种不知何故缺乏可单独识别分子的液体。

虽然这听起来有些奇怪，但这正是一些物理学家对该小组测试的金属的期望，自20世纪80年代以来，这种金属及其不寻常的同类一直让物理学家着迷和困惑。“这是一件非常漂亮的作品，”哈佛大学专门研究奇异金属的理论物理学家Subir Sachdev说道。

观察结果，上周报道在期刊科学，是迄今为止最直接的迹象之一，表明通过这些不寻常的金属传输电流的任何东西看起来都不像电子。这项新实验加深了人们的怀疑，即奇怪的金属中正在出现一种新的量子现象。它还为试图理解它可能是什么的理论物理学家提供了新的依据。

“奇怪的金属，没有人知道它们来自哪里，”大学物理学家Peter Abbamonte说道伊利诺伊州厄巴纳-尚佩恩市。“这曾经被认为是一种不便，但现在我们意识到这实际上是生活在这些东西中的物质的不同阶段。”

铜质扳手

对金属传统理解的第一个挑战出现在1986年，当时Georg Bednorz和Karl Alex Müller发现了高温超导体，这种材料即使在相对温暖的温度下也能完美地传输电流，震惊了物理学界。锡和汞等常见金属只有在冷却到绝对零度数度以内时才能成为超导体。Bednorz和Müller测量了铜基（“铜酸盐”）材料的电阻，发现电阻在相对温和的35开尔文时消失。（由于他们的突破性发现，贝德诺兹和穆勒仅仅一年后就获得了诺贝尔奖。）

物理学家很快意识到高温超导性只是铜酸盐神秘行为的开始。

为了开始了解流经奇怪金属的奇异电流，道格拉斯·内特尔森和他的同事需要弄清楚携带电流的电荷单位

当铜氧化物停止超导并开始抵抗时，它们变得非常奇怪。当所有金属变暖时，电阻会增加。温度升高意味着原子和电子的抖动更大，当电子在材料中穿梭电流时，会产生更多的阻力引发碰撞。在镍等普通金属中，电阻在低温下呈二次方上升——一开始缓慢，然后越来越快。但在铜氧化物中，它呈线性上升：每升高一度都会带来同样的电阻增加——这种奇怪的模式持续了数百度，就奇怪而言，掩盖了材料的超导能力。铜酸盐是研究人员见过的最奇怪的金属。

“超导性是一只老鼠，”明尼苏达大学理论物理学家Andrey Chubukov说道。“大象……就是这种奇怪的金属行为。”

电阻的线性上升威胁到了关于电荷如何在金属中移动的著名解释。Lev Landau于1956年提出的“费米液体”理论将电子置于其中心。它建立在早期的理论之上，为简单起见，假设电子携带电流，并且电子像气体一样穿过金属；它们在原子之间自由飞行，彼此不相互作用。

兰道添加了一种处理电子相互作用这一关键但复杂事实的方法。它们带负电，这意味着它们不断相互排斥。考虑到粒子之间的这种相互作用将电子气变成了海洋——现在，当一个电子穿过电子流体时，它会干扰附近的电子。通过一系列涉及相互排斥的复杂相互作用，这些现在轻轻相互作用的电子最终以群体形式运动——称为准粒子的团块。

费米液体理论的奇迹在于，每个准粒子的行为几乎与单个基本电子完全相同。然而，一个主要的区别是，这些斑点比裸电子移动得更慢或更灵活（取决于材料），实际上更重或更轻。现在，只需调整方程中的质量项，物理学家就可以继续将电流视为电子的运动，只是用星号指定每个电子实际上是一个准粒子团。

朗道框架的一个重大胜利在于，它在普通金属中解决了电阻随温度呈二次方上升的复杂方式。类电子准粒子成为理解金属的标准方法。“每本教科书中都有它，”萨奇德夫说。

但在铜国，兰道的理论却彻底失败了。阻力以完美的直线而不是标准的二次曲线上升。长期以来，物理学家一直将这条线解释为铜酸盐是一种新物理现象发源地的标志。

“你必须相信大自然要么给你提供线索，要么大自然极其残酷，”Gregory Boebinger说道，佛罗里达州立大学的物理学家，他职业生涯的大部分时间都在研究铜酸盐的线性响应。“贴上如此简单且令人着迷的签名，而且它在物理上并不重要，这实在让人难以忍受。”

铜奖只是一个开始。此后，研究人员发现了许多不同的材料具有同样诱人的线性电阻，包括有机“贝希加德盐”和错位的石墨烯片。随着这些“奇怪的金属”的扩散，科学家们想知道为什么兰道的费米流体理论似乎在所有这些不同的材料中都失效了。有些人开始怀疑这是因为根本不存在准粒子。电子以某种奇怪的新方式组织起来，掩盖了任何个性，就像葡萄的离散性质在一瓶酒中消失一样。

作为一名研究生，陈立阳花了一年的时间研究如何制造比单个细菌细胞还细的金属丝

“在物质的这个相中，电子确实没有身份，”阿巴蒙特说。“尽管如此，一种奇怪的金属就是金属；它以某种方式携带电流。”

但是电子并不是简单地废除。对于一些科学家来说，潜在的连续电流（未分成电子的电流）过于激进。一些奇怪的金属实验继续符合朗道理论的某些预测。持续存在的争议促使陈的论文导师、莱斯大学的Douglas Natelson和他的同事齐苗斯，考虑如何更直接地检查穿过奇怪金属的电荷的解剖结构。

“我可以测量什么来真正告诉我发生了什么？”内特尔森想知道。

电的解剖

该团队的目标是剖析一种奇怪金属中的电流。它是以电子大小的电荷块形式出现的吗？它是大块地进来的吗？为了找到答案，他们从一种测量流量波动的经典方法——“散粒噪声”中获得灵感——如果我们想想暴风雨期间下雨的方式，就可以理解这种现象。

想象一下，您坐在车里，根据可靠的天气预报，您知道未来一小时将下5毫米的降雨。这5毫米就像总电流。如果雨水被分散成一小撮巨大的雨滴，那么这些雨滴击中屋顶的时间变化将会很大；有时水滴会连续飞溅，有时它们会间隔开。在这种情况下，散粒噪声很高。但如果同样5毫米的降雨散布成由微小水滴组成的持续薄雾，到达时间的变化（以及由此产生的散粒噪声）就会很低。雾气会时时刻刻平稳地输送几乎相同量的水。通过这种方式，散粒噪声揭示了液滴的大小。

“仅仅测量水出现的速度并不能告诉你整个情况，”内特尔森说。“测量该比率的波动可以告诉你更多信息。”

同样，听电流中的爆裂声可以告诉您构成电流的电荷块。这些块通常是朗道的类电子准粒子。事实上，记录普通金属中的散粒噪声是测量电子基本电荷的常用方法   库仑。

内特尔森和他的同事用来测量散粒噪声的奇怪金属装置（左），以及陈制作的电线的放大图像，该电线跨度仅数百纳米，连接两个较大的部分。这些部分中的损坏点是连接电线以驱动电流的地方

为了了解一种奇怪金属电流的核心，该团队想要测量散粒噪声。但如果电子被金属原子晶格中的波纹推动，电子散粒噪声就会被掩盖。为了避免这种模糊，研究人员通过很短的电线发送电流，这样波纹就没有时间影响电子。这些电线的尺寸必须是纳米级的。

该小组选择使用一种由镱、铑和硅制成的特殊奇怪金属，因为Natelson和Si的长期合作者，Silke Bühler-Paschen。

然后，陈负责研究如何使用这些薄膜并雕刻出长度和宽度仅为纳米的电线。

在大约一年的时间里，陈测试了通过用原子有效喷砂来切削金属的不同方法。但在一次又一次的试验中，他发现由此产生的纳米线遭受了原子级的损伤，破坏了这种奇怪金属的线性电阻特性。经过数十次尝试，他找到了一种行之有效的工艺：他在金属上镀上铬，用氩气流吹掉除铬保护的奇怪金属之外的所有金属，然后用浴将铬剥掉。盐酸。

最终，陈在今年春天成功获得了博士学位，并从此从事金融工作，制作出了一些几乎完美的纳米线。每个大约长600纳米，宽200纳米，比红细胞窄50倍左右。

将它们冷却到寒冷的开尔文温度后，研究人员让电流通过奇怪的金属纳米线。他们还通过普通金制成的纳米线输送电流。金线中的电流以熟悉的带电准粒子电流的方式发出噼啪声——就像肥大的雨滴溅落在车顶上一样。但在这种奇怪的金属中，电流静静地穿过纳米线，这种效果类似于雾气几乎无声的嘶嘶声。该实验最直接的解释是，这种奇怪金属中的电荷不会以电子大小的块状流动。

“实验数据提供了强有力的证据，证明准粒子在这种奇怪的金属中消失了，”西说。

然而，并非所有物理学家都完全相信该实验会杀死朗道的准粒子。“这是一个非常大胆的主张，”康奈尔大学物理学家Brad Ramshaw说道。“所以你需要大胆的数据。”

该实验的一个限制是该小组仅测试了一种材料。仅仅因为陈的镱、铑和硅混合物中的散粒噪声较低，并不能保证其他奇怪金属中的散粒噪声也较低。一次性异常总是可以归因于对该材料的一些知之甚少的细节。

拉姆肖还指出，金属环会产生各种奇怪的振动，这些振动可能会扭曲电流中的散粒噪声。陈和他的同事排除了更常见振动的干扰，但有可能一些奇异的涟漪躲过了他们的注意。

尽管如此，拉姆肖还是发现这个实验很引人注目。“这强烈激励人们尝试做其他事情，看看它们是否也与没有电子一致，”他说。

如果不是电子，那又是什么？

如果准粒子图像继续崩溃，什么可以取代它？如果电流不是在类似电子的电荷包中移动，那么电流如何在奇怪的金属周围移动？这不是一个容易描述的情况，更不用说用精确的数学术语来描述了。内特尔森说：“如果你不打算谈论准粒子，那么正确的词汇是什么？”

当受到追问时，物理学家用一个颤抖的隐喻来回答这个问题，即单个电子消失时会出现什么：它们融合成纠缠的量子汤；它们凝结成果冻；它们形成一团乱七八糟的泡沫状电荷，四处晃动。厄巴纳-香槟分校的Philip Phillips将奇怪金属的电子比作轮胎中的橡胶。当橡胶从树上长出来时，它的分子会排列成单独的线。但在硫化过程中，这些绳子变成了坚固的网。一种新的物质从个体的集合中出现。“你得到的东西比各个部分的总和还要大，”他说。“电子本身没有完整性。”

维也纳科技大学的Silke Paschen和莱斯大学的Qimiao Si花了近20年的时间研究当两个量子态争夺金属中的主导地位时准粒子消失的概念

为了超越对涌现的模糊描述，物理学家需要精确的数学描述——一种尚未发现的奇异金属费米流体理论。Sachdev在20世纪90年代初帮助开发了一种简单化的候选模型 SYK 模型。它得到了正确的线性电阻，但它与由真实原子网格构成的真实材料完全无关。一方面，它没有空间；另一方面，它没有空间。所有电子都位于一个点，在那里它们随机相互作用并与所有其他电子纠缠在一起。

过去几年，Sachdev、Flatiron Institute 的Aavishkar Patel及其合作者一直在致力于为 SYK 模型带来空间。他们通过考虑原子晶格缺陷的影响（原子缺失或额外原子出现的位置）将电子相互作用传播到整个空间。这种原子缺陷的散布会导致电子对相互作用和纠缠的随机变化。由此产生的纠缠电子织锦具有线性上升的电阻——这是一种奇怪金属的标志。他们最近还使用自己的框架来计算散粒噪声。这些数字与陈的观察并不完全相符，但它们形成了相同的定性模式。“所有趋势都是正确的，”萨奇德夫说。

其他研究人员强调，理论情况仍然不稳定 - 有些人不清楚像石墨烯片和铜酸盐超导体这样彼此不同的材料是否都具有足够相似的缺陷，从而产生共同的奇怪现象-按照萨赫德夫和帕特尔理论所需的方式获得金属特性。另类理论比比皆是。例如，菲利普斯怀疑奇怪的金属需要一种不依赖于整个电子的新兴电磁学形式。与此同时，Si和布勒-帕辰花了近20年的时间发展和探索理论了解当系统处于“量子临界点”时准粒子如何溶解，此时两种不同的量子力学状态会争夺上风。在散粒噪声实验中，他们将纳米线带到了这样一个临界点。

尽管物理学家尚未就为什么电荷似乎溶解在奇怪的金属内达成一致，或者即使它们确实溶解了，他们也决心找出答案。

内特尔森说：“如果我们真的认为有一整类我们不了解的金属，那么了解它们就很重要。”

原文链接：https://www.quantamagazine.org/meet-strange-metals-where-electricity-may-flow-without-electrons-20231127/